Vejledning til Fysisk pendul / Bessel-pendul

Transkript

1 Vejledning til Fysisk pendul / Bessel-pendul AA Beskrivelse Apparatet består af en stålstang med en række huller, som dels anvendes som pendulets leje, dels bruges til fastgørelse af lodder Den faste del af lejet udgøres af en solid knivsæg, som fastgøres til normalt stativmateriale eller endnu bedre en bordkant Apparatet leveres med 4 skiver af stål og 2 skiver af aluminium Skiverne anvendes parvis anbragt på hver side af stålstangen med en bolt To skiver, en bolt og en møtrik kaldes herefter et lod Der medfølger to ekstra sæt bolte og møtrikker, som anvendes som trimmelodder i forbindelse med Bessel-pendulet Til Bessel-pendulet anvendes desuden 4 spændeskiver sammen med de store lodder Anvendelser 1 Det fysiske pendul anvendes i studiet af inertimomenter og stive legemers bevægelse Tyngdepunkt, ophængspunkt og inertimoment kan varieres på utallige måder Til beregningsarbejdet får man god brug for Steiners sætning samt en række formler for inertimomenter af de forskellige bestanddele af pendulet Disse sammenhænge findes i afsnittet Inertimomenter De praktiske beregninger udføres mest fordelagtigt i et regneark 2 Reversionspendulet anvendes til bestemmelse af tyngdeaccelerationen Navnet refererer til, at pendulet kan endevendes der er et ophængspunkt i hver ende Reversionspendulet opbygges, så ophængspunkterne har forskellig afstand til massemidtpunktet og justeres derefter, så det har samme svingningstid om de to ophængspunkter Reversionspendulet blev udviklet af Henry Kater Princippet blev forfinet af F W Bessel, og hans version kan demonstreres med dette apparat (om end nøjagtigheden ikke er så høj som i de klassiske præcisionspenduler) Bessel-pendulet er et reversionspendul, som er volumenmæssigt (geometrisk) symmetrisk, selv om massefordelingen er asymmetrisk Det viser sig, at to fejlkilder, som skyldes luftens tilstedeværelse, derved forsvinder (Det drejer sig om hhv opdriften og om, at en smule luft vil svinge sammen med pendulet, som derfor synes tungere) For detaljer henvises til litteraturfortegnelsen A/S Søren Frederiksen, Ølgod Tel info@frederikseneu Viaduktvej 35 DK-6870 Ølgod Fax wwwfrederikseneu

2 En smule teori Vi vil betragte et stift legeme som sammensat af et stort antal små bestanddele Legemets inertimoment omkring en given akse er da givet som en sum af bidrag fra de enkelte bestanddele, hver på formen hvor m j er massen af bestanddel nr j og r j er afstanden mellem denne og omdrejningsaksen De store skiver har form som en cylinder med et cylinderformet hul i midten Lodderne fastholdes med en bolt, som vi kan betragte som punktformet (Der skal stadig tages hensyn til boltens masse, det er blot dens inertimoment om eget centrum, vi sætter til 0) Herunder følger nogle formler for inertimomenter Rektangel med dimensioner b x d og masse m: Det samlede inertimoment kan dermed skrives på formen I praksis bestemmes inertimomenter ved integration Hvis legemets form er tilstrækkeligt simpel, kan dette gøres analytisk Der er en række relevante eksempler på dette i et senere afsnit Kaldes et legemes inertimoment om en akse gennem dets tyngdepunkt for I G, kan inertimomentet I om en vilkårlig anden akse, som er parallel med den første, bestemmes vha Steiners sætning: Her er M det betragtede legemes masse og a er afstanden mellem de to akser Denne sætning er uhyre nyttig ved beregning af inertimomenter, når man ser bort fra de allermest simple tilfælde Halvcirkel med radius r og masse m, forskudt stykket D: Betegnelsen fysisk pendul anvendes, når et stift legeme er ophængt i en akse, som ikke går gennem tyngdepunktet Svingningstiden for det fysiske pendul er givet ved hvor I er inertimomentet om omdrejningsaksen, M er den samlede masse, a er afstanden mellem omdrejningsaksen og massemidtpunktet, g er tyngdeaccelerationen Cylinder med ydre radius r 2, indre radius r 1 og masse m: Inertimomenter Det følger af definitionen på inertimoment, at et stift legemes samlede inertimoment om en akse kan bestemmes som en sum af inertimomenter for legemets bestanddele (om samme akse) I det konkrete tilfælde vil vi dele pendulstangen op i et rektangulært stykke samt to halvcirkelformede ender (Herfra skal fratrækkes materialet fra de 11 kvadratiske huller, hvis man vil være helt præcis) Massen af stangen fordeles på de tre dele proportionalt med deres areal Arbejdet med at holde rede på alle de enkelte dele af pendulet kan med fordel ske i et regneark

3 Måling af svingningstid Med stopur Man måler tiden for et antal hele svingninger og dividerer med antallet Præcisionen øges, hvis man starter og stopper uret, når pendulet passerer sit laveste punkt, hvor dets hastighed er størst Sigt efter noget lodret bag pendulet, og flyt ikke hovedet mellem start og stop I praksis kan man næppe opnå lavere usikkerhed end 0,2 s Ønskes en nøjagtighed på feks 0,5 %, skal den samlede måletid således være mindst 40 s Med Bessel-pendulet bør man ikke stile efter ringere nøjagtighed end 0,1%, svarende til 200 sekunders måletid Med fotocelle og tæller Hæng pendulet lodret og helt i ro Anbring fotocellen, så lysstrålen lige akkurat rører en lodret kant nederst på pendulet (kanten af stangen eller evt kanten af et lod) Fotocelle type har en grøn lysdiode, som slukker, når lysstrålen afbrydes Når pendulet svinger (små udsving!), skal lysstrålen være afbrudt i hele den ene halvperiode og passere i hele den anden Derved bliver en svingningstid netop tiden fra starten af en afbrydelse til den næste Med tæller er proceduren som følger 1) Fotocellen sættes i DIN-bøsning A 2) Træk pendulet en smule væk fra lysstrålen under de følgende punkter 3) Tryk Select, indtil lampen ud for Period lyser 4) Vent, indtil der er lys i lampen Continuous, tryk derefter på Memory/Continuous 5) Tryk til sidst på Start/Stop 6) Herefter kan pendulet slippes Resultaterne vises som gennemsnit af to svingningstider Med dataopsamlingsudstyr Placér en bevægelsessensor ca 20 cm fra pendulet ud for et lod (Det kræver held at måle på stangen alene, men det kan lade sig gøre) Indstil dataopsamlingsprogrammet til at registrere position med en målefrekvens på feks 100 Hz Kontrollér, at der opsamles en nogenlunde sinusformet kurve der må ikke være sære takker, som indikerer, at sensoren rammer ved siden af målet Mål i passende lang tid Med Bessel-pendulet måles ca et minut Er præcisionskravene ikke er så store, kan tiden sættes ned Tilpas en dæmpet svingning til målepunkterne Sørg for at indstille programmet, så der vises tilstrækkeligt mange cifre på parametrene! Nogle programmer afleverer direkte svingningstiden T, andre bruger ω = 2π/T

4 Fysisk pendul Til arbejdet med det generelle fysiske pendul anvendes hverken spændeskiverne eller de ekstra sæt bolte Der er variationsmuligheder nok endda! Eksperiment 1, 2 og 3 herunder kan udføres uafhængigt af hinanden Metalskiverne fastspændes med boltene det er tilstrækkeligt at stramme dem godt med fingrene Knivlejet kan til simple demonstrationsforsøg spændes op i et stativ med en A-fod eller en bordklemme Mere præcise resultater opnås ved at spænde ophænget fast til en solid bordkant med en skruetvinge Helst lige over et bordben Brug gerne et bord, der er fastgjort til en væg NB: Der er forskel på positionen, når et hul anvendes som ophæng (øvre kant) eller som placering for et lod (centrum) Vær omhyggelig med at bruge de korrekte værdier Amplituden for svingningerne skal være lille Omkring en centimeter er fint Beregninger stangens inertimoment Formlen for svingningstiden kan omskrives til flg Da massemidtpunktet ligger i stangens midtpunkt, er alle de indgående størrelser på venstre side kendte Den samlede masse M er lig med stangens masse ms For stangen uden lodder kan højre side omskrives ved hjælp af Steiners sætning: Det vil sige, at hvis størrelsen afbildes som funktion af a 2, skal resultaterne ligge på en ret linje med stangens masse m S som hældningskoefficient og stangens inertimoment om centeret I S som skæring med y-aksen 1 Stangens inertimoment Mål svingningstiden som et gennemsnit over mindst 20 svingninger for hvert af de 6 mulige ophængspunkter (det midterste inklusive) Udmål afstanden fra stangens midtpunkt til hver af de fem ophængspunkter præcist Midtpunktet er markeret med en tynd linje det kan være en ide midlertidigt at forlænge linjen hen over det midterste hul ved hjælp af kanten af en strimmel tape (Disse afstande skal også bruges i de følgende forsøg) Til sammenligning kan man beregne stangens inertimoment om midtpunktet ved at opdele den i to halvcirkulære ender samt et rektangulært stykke i midten se også afsnittet Inertimomenter Fejlen ved at se bort fra de kvadratiske huller er forholdsvis lille For at bestemme massen af de tre dele, fordeles stangens samlede masse proportionalt med de tre deles arealer 2 Symmetrisk massefordeling Vælg en position af lodderne feks det næstyderste hul Placeringen skal være symmetrisk, så hele pendulet stadigvæk har massemidtpunkt i stangens midtpunkt For at undgå, at pendulet kæntrer, når det hænges op i det midterste hul, kan boltene pege modsat hinanden Mål svingningstiden som et gennemsnit over mindst 20 svingninger for hvert af de 5 mulige ophængspunkter (det midterste inklusive) Hvis du ikke allerede har bestemt disse mål: Udmål afstanden fra stangens midtpunkt til hver af ophængspunkterne præcist Midtpunktet er markeret med en tynd linje det kan være en ide midlertidigt at forlænge linjen hen over det midterste hul ved hjælp af kanten af en strimmel tape (Disse afstande skal også bruges i det følgende forsøg) Gentag eventuelt måleserien med lodderne i en ny men stadigvæk symmetrisk position

5 Beregninger Symmetrisk massefordeling Formlen for svingningstiden kan omskrives til følgende Da lodderne hænger symmetrisk, ligger massemidtpunktet i stangens midtpunkt, så alle de indgående størrelser på venstre side er kendte Højre side omskrives ved hjælp af Steiners sætning: Det vil sige, at hvis størrelsen afbildes som funktion af a 2, skal resultaterne ligge på en ret linje med den samlede masse M som hældningskoefficient og pendulets inertimoment om massemidtpunktet I G som skæring med y-aksen Vi kan sammenligne den fundne værdi for I G med en beregnet, idet hvor I S er stangens inertimoment om dens midtpunkt, I L er et lods inertimoment om loddets centerakse, m L er massen af at lod og x L er afstanden mellem stangens og loddets midtpunkter I S og I L beregnes ved hjælp af formlerne i afsnittet Inertimomenter Lodderne betragtes som to cylindre, der skal behandles som udstrakte legemer, samt en bolt og en møtrik, der med god tilnærmelse kan betragtes som punktformede Hvis der er udført mere end en måleserie, bliver graferne parallelle 3 vilkårlig massefordeling Vi behandler nu situationen, hvor der ikke længere er symmetri om stangens midtpunkt Dermed skal vi ikke blot bestemme inertimomentet for pendulet, men også massemidtpunktet Udmål afstanden fra stangens midtpunkt til hver af de mulige ophængspunkter præcist Midtpunktet er markeret med en tynd linje det kan være en ide midlertidigt at forlænge linjen hen over det midterste hul ved hjælp af kanten af en strimmel tape For at kunne angive positioner entydigt, fastlægger vi en koordinatakse langs stangen, med nulpunkt i stangens midtpunkt og den positive retning opad Positioner under stangens midtpunkt er negative Kald ophængets position x O Loddernes positioner betegnes x A hhv x B og deres masser m A hhv m B Noter omhyggeligt forsøgsbetingelserne, og mål svingningstiderne som gennemsnit over mindst 20 perioder Beregninger vilkårlig massefordeling Eftersom stangens massemidtpunkt har koordinaten 0, får vi for massemidtpunktets position x G : Afstanden fra omdrejningsaksen til massemidtpunktet bestemmes som Pendulets inertimoment om ophænget beregnes ved at summere bidrag fra stangen og de to lodder: hvor I A og I B betegner inertimomentet af lod A og B omkring loddets centrum Nu kan en teoretisk værdi for svingningstiden beregnes og sammenlignes med den eksperimentelle

6 Bessel-pendulet Loddernes masse skal øges en anelse: Monter to stålskiver med bolt og to spændeskiver i det yderste hul i stangens ene ende og de to aluminiumskiver i den modsatte ende ligeledes med to spændeskiver Pendulet skal ophænges i det næstyderste hul i hver ende dvs at de yderste frie huller anvendes Knivlejet spændes fast til en bordkant almindeligt stativmateriale er ikke stabilt nok Ophængspunktet i enden med stålloddet kaldes O 1, ophængspunktet ved aluminiumloddet kaldes O 2 De to tilsvarende svingningstider kalder vi T 1 og T 2 Det er nødvendigt med meget præcise målinger af svingningstiderne Med stopur skal man måle over i hvert fald 150 svingninger Korrekt anvendt vil fotoceller eller dataopsamlingsudstyr være stopuret overlegent Som før skal amplituden være lille Trimmelodderne, som udgøres af en bolt med møtrik, skal hele tiden placeres symmetrisk om stangens midtpunkt Start med at placere dem i de to huller 50 mm fra centret Benyt ophængspunktet O 1 og mål T 1 Vend pendulet, så O 2 benyttes, og mål T 2 Flyt trimmelodderne symmetrisk til næste hul og gentag Ditto for det sidste ledige hul Svingningstiden varierer, når trimmelodderne flyttes Når de er så tæt på hinanden som muligt, vil T 1 være mindre end T 2 Omvendt, når trimmelodderne er så langt fra hinanden som muligt, så er svingningstiden T 2 mindre end T 1 For en eller anden afstand må de to svingningstider være ens Vi søger den nøjagtige værdi af denne fælles svingningstid T: Benyt et regneark til at afbilde T 1 og T 2 som funktion af afstanden x T fra centret til trimmelodderne Lad regnearket tilføje parabler som tendenslinjer (i Excel kaldes typen for polynomisk med rækkefølge 2) Tilføj tilstrækkeligt med vandrette inddelinger på y-aksen, og aflæs den fælles svingningstid, hvor graferne krydser hinanden Den sidste måling, vi behøver, er afstanden Δx mellem O 1 og O 2 Der skal måles fra øverste kant af det øvre hul til nederste kant af det nedre Nu kan den lokale tyngdeacceleration bestemmes: Svingningstiden bør være bestemt så præcist, at det er målingen af Δx, som afgør nøjagtigheden På de klassiske præcisionspenduler kunne denne afstand feks være opmålt vha interferometri

7 Tyngdeaccelerationen sammenligningsgrundlag Den eksperimentelt bestemte værdi af g kan sammenlignes med den teoretiske værdi for den glatte jord-ellipsoide, med korrektion for højden: Reversionspendulet teori Pendulet har massen M, og inertimomentet om massemidtpunktet G kaldes for I G Inertimomentet om O 1 hhv O 2 kaldes I 1 hhv I 2 Afstanden mellem G og O 1 betegnes x 1 og afstanden mellem G og O 2 kaldes x 2 Vi har nu ifølge Steiners sætning Her er ϕ stedets breddegrad, mens højdekorrektionen er opdelt i to led C FA og C B (Free Air-korrektion og Bouguer-korrektion) De repræsenterer hhv en reduktion af g pga større afstand til jordens centrum og en forøgelse af g pga øget tyngde fra det ekstra jordlag: De to svingningstider er da givet ved Hvis T 1 = T 2, ses at Her er h stedets højde over havniveau I C B indgår ρ den gennemsnitlige massefylde af jordlagene mellem havniveau og positionen Anvendes en typisk massefylde på 2670 kg/m 3, kan disse to korrektioner samles til: Under forudsætning af, at x 1 x 2, kan denne ligning løses mht I G Svingningstiden bliver da I praksis er det nemmest at finde stedets breddegrad vha en tjeneste som Google Maps Højden over havet kan man ofte finde via kommunens hjemmeside søg efter en afdeling med geografiske data ( GIS ) Eller benyt et godt kort hvor betegnelsen x står for afstanden mellem ophængspunkterne

8 Lærernoter Fysiske begreber Massemidtpunkt forudsættes kendt Inertimoment, Steiners sætning og svingningstid for fysisk pendul formler er resumeret Reversionspendul formlen for svingningstiden er udledt Matematiske forudsætninger Ligningsløsning, trigonometriske funktioner, anvendelse af regneark, grafer Ønskes formler for inertimomenter udledt, kræves integralregning Didaktiske overvejelser Beregningerne af stangens inertimoment kan forenkles ved at se bort fra hullerne Dette medfører en fejl i stangens inertimoment omkring centret på lidt over 1 % Beregnede svingningstider for stangen alene vil øges med op til 0,5 % (Størst afvigelse ved ophæng i centerhullet) Med lodder monteret på stangen vil afvigelsen på svingningstiden være mindre En endnu mere oplagt forenkling kan ske ved at betragte bolte, møtrikker og spændeskiver som punktformede masser Inertimomentet fejlberegnes da med under 0,08 %, svingningstiden med det halve Disse fejl vil formentlig kunne negligeres sammenlignet med måleusikkerheder og øvrige fejlkilder ved arbejdet med det generelle fysiske pendul Bemærk, at de nævnte fejl er uden betydning, når apparatet anvendes som reversionspendul!!! Det virker fristende at udvide databehandlingen af eksperiment 2 Symmetrisk massefordeling med en bestemmelse af loddernes inertimoment om eget centrum Dette kræver subtraktion af næsten ens størrelser, og vil derfor være behæftet med ganske stor usikkerhed Det kan kun anbefales, hvis man ønsker at gå i dybden med usikkerhedsberegning ellers vil afvigelserne mellem teori og måling kun skabe frustration Litteratur D Candela, K M Martini, R V Krotkov, and K H Langley: Bessel s improved Kater pendulum in the teaching lab American Journal of Physics - June Volume 69, Issue 6, pp 714 Apparaturliste Følgende foreslås: Fysisk pendul / Bessel-pendul Skruetvinge Elektronisk tæller Fotocelle Bordklemme Stativmuffe, firkantet (2 styk anvendes) Stativstang 25 cm Stativstang 75 cm Reklamationsret Der er to års reklamationsret, regnet fra fakturadato Reklamationsretten dækker materiale- og produktionsfejl Reklamationsretten dækker ikke udstyr, der er blevet mishandlet, dårligt vedligeholdt eller fejlmonteret, ligesom udstyr, der ikke er repareret på vort værksted, ikke dækkes af garantien Returnering af defekt udstyr som garantireparation sker for kundens regning og risiko og kan kun foretages efter aftale med Frederiksen Med mindre andet er aftalt med Frederiksen, skal fragtbeløbet forudbetales Udstyret skal emballeres forsvarligt Enhver skade på udstyret, der skyldes forsendelsen, dækkes ikke af garantien Frederiksen betaler for returnering af udstyret efter garantireparationer A/S Søren Frederiksen, Ølgod Denne brugsvejledning må kopieres til intern brug på den adresse hvortil det tilhørende apparat er købt Vejledningen kan også hentes på vores hjemmeside Det bedste er at gentage eksperiment 2 for alle de mulige værdier af x L, hvorefter I G kan plottes som funktion af x L2 Skæringen med y-aksen bliver da I S + 2 I L På wwwfrederikseneu ligger der færdige regneark til bestemmelse af inertimomenterne mv Søg på varenummer A/S Søren Frederiksen, Ølgod Tel info@frederikseneu Viaduktvej 35 DK-6870 Ølgod Fax wwwfrederikseneu